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【導讀】本應用筆記主要講述采用MAX44009環境光傳感器控制便攜式設備(譬如智能手機和平板電腦)背光亮度的應用。針對背光亮度調節，本文介紹了兩種不同的控制方案。此外，本文還就如何獲得更好的控制效果提供了相關建議，同時也提供了實現本文所述算法的源代碼。

引言

環境光傳感器(ALS)集成電路正越來越多地用于各種顯示器和照明設備，以節省電能，改善用戶體驗。借助ALS解決方案，系統設計師可根據環境光強度，自動調節顯示屏的亮度。因為背光照明的耗電量在系統的總耗電量中占據很大的比例，實行動態的背光亮度控制，可節省大量的電能。此外，它還能夠改善用戶體驗，讓顯示屏亮度根據環境光條件自行調整到最佳狀態。

系統實現需要三大部分：監測環境光強的光傳感器、數據處理裝置(通常是微控制器)、控制背光輸入電流的執行器。

背光控制：環境光傳感器

圖1是實施背光控制的系統示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關鍵的組成部分，因為它要向系統的其他模塊提供環境光強信息。光傳感器必須具備將光信號轉換成電信號的信號轉換器(譬如光電二極管或CdS光敏電阻)和信號放大和/或調節裝置以及模/數轉換器(ADC)。

圖1. 實施背光控制的系統框圖

圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個或多個運算放大器：一個用于電流到電壓的轉換，可能還需要一級放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用于供電，確保高度可靠的信號鏈。而在空間極其寶貴的應用中，所需元件的數量過多可能導致空間受限問題。

圖2. 光電二極管電路分立設計

這里還存在一個更細微的問題。具體而言，理想情況下，應確保環境光的測量模擬了人眼對光線的響應機制。這通常借助CIE提供的視覺亮度曲線(圖3)。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應機制，因為它們通常具有很高的紅外(IR)靈敏度。在IR強度較大的光照條件(譬如白熾燈或日光)下，這種紅外靈敏度會造成錯誤地判斷光線強度。

解決上述問題的方法之一是使用兩個光電二極管：一個采用對可見光和紅外光都很敏感的元件，另一個采用只對紅外光敏感的元件。最終用前者的響應值減去后者的響應值，將紅外干擾降至最小，獲得準確的可見光響應。

這種解決方案雖然有效，卻增加了分立電路的占用空間。通常還很難、甚至不可能讓兩個分立的光電二極管配合得足夠緊密，以實現消除紅外干擾的目的。如果不配備精密放大器(譬如對數放大器)，動態范圍可能很小。換句話說，很難利用這種組合獲得可重復的結果。

圖3. CIE曲線和典型的光電二極管

高集成度解決方案不僅能夠獲得比人眼光學系統更真實的光強數據，還能夠節省大量空間MAX44009等環境光傳感器，可將所有信號調節和模/數轉換器集成在一個小封裝(2mm x 2mm UTDFN封裝)內，從而在空間受限應用中有效節省電路板面積。

圖4提供了MAX44009的功能框圖，采用I2C通信協議，使其與微控制器的連接方式更簡單，數據傳輸速度更快。除此之外，該解決方案的高集成特性使其能夠置于柔性電纜，安裝在離主電路板距離合適的位置。

圖4. MAX44009功能框圖

背光控制：調節顯示屏亮度

該控制方案的第二部分是調節顯示屏的背光亮度。這可通過多種方式實現，具體取決于設備中的顯示屏模塊。有兩種最簡單的方式，一種是借助脈沖寬度調制(PWM)方案的直接調節方式，另一種是采用顯示屏控制器的間接調節方式。

許多顯示屏模塊如今都配有一個集成控制器，用戶可以通過向控制器發送串行命令，直接設置背光亮度。如果顯示屏模塊未配備集成控制器，還可安裝一個簡單的背光控制執行器，控制顯示屏后面用于背光照明的白光LED燈的輸入電流。實現這種控制的一種簡單辦法是：直接給LED串聯一個場效應晶體管(FET)，使用PWM信號快速打開、關閉FET (圖5)。然而，也可以利用單一芯片(用于LED控制的MAX1698升壓轉換器)準確、可靠地調節(圖6)，請參考應用筆記3866“Low-power PWM output controls LED brightness”，獲取詳細信息。

圖5. 簡單的PMW控制電路

圖6. 基于MAX1698的LED亮度調節器

背光控制：建立連接

最后一步就是在傳感器和執行器之間建立連接，通過微控制器實現。有人可能首先要問：“環境光強如何映射到背光亮度？”事實上，有些文獻專門介紹了相關方案。其中一種映射方式是，Microsoft?針對運行Windows? 71操作系統的計算機提出的。圖7所示曲線是由Microsoft提供的，它可以將環境光強度映射到顯示屏亮度(以全部亮度的百分比表示)。

圖7. 將環境光強映射為最佳顯示屏亮度的曲線示例

這種特殊曲線可以用以下函數表示：

如果設備采用的是已集成亮度控制功能的LCD控制芯片，就可通過向芯片發送指令，輕松設置背光亮度。如果設備采用的是PWM直接控制亮度，則要考慮如何將比例信號映射至顯示屏亮度。

在MAX1698示例中，根據其產品說明書的介紹，可以將驅動電流映射為電壓。通過這個示例，我們可以假設LED電流強度幾乎與其電流呈線性關系。這樣，我們就可以在上述等式中乘上一個系數，計算出PWM所映射的有效電壓，該電壓再被映射至LED電流，最后轉化成顯示屏亮度。

方案實施

最好不要從一個亮度級直接跳轉到另一個亮度級，而是平滑上調和下調背光亮度，確保不同亮度等級之間無縫過渡。為了達到這一目的，最好采用帶有固定或不同亮度步長、可逐步調節亮度的定時中斷，也可采用帶有可控制LED輸入電流的PWM值的定時中斷，或者是能夠發送到顯示屏控制器的串行指令的定時中斷。圖8提供了這種算法的一個示例。

圖8. 步進式亮度調節的算法示例

另一個問題是，系統響應環境光強變化的速度。我們應盡量避免過快地改變亮度等級。這是因為光強的瞬間變化(譬如一扇窗戶打開或瞬間有一束光掃過)可能導致背光亮度發生不必要的變化，這往往會造成用戶感覺不適。并且，較長的響應時間還有助于減少微控制器對光傳感器的檢測次數，從而可以釋放一定的微控制器資源。

最初級的方法就是每隔一兩秒鐘檢查一次光傳感器，然后相應地調整背光亮度。更好的方法是，只有光線強度偏離特定范圍一定時間后，才對背光亮度進行調節。譬如，如果正常光強是200lux，我們可能只會在光強降到180lux以下或升至220lux以上，而且持續時間超過數秒的情況下才調節亮度。幸運的是，MAX44009集成了中斷引腳和閾值寄存器，可輕松實現這個目的。

附錄：源代碼

#define MAX44009_ADDR0x96

// begin definition of slave addresses for MAX44009

#define INT_STATUS0x00

#define INT_ENABLE0x01

#define CONFIG_REG0x02

#define HIGH_BYTE0x03

#define LOW_BYTE0x04

#define THRESH_HIGH0x05

#define THRESH_LOW0x06

#define THRESH_TIMER0x07

// end definition of slave addresses for MAX44009

extern float SCALE_FACTOR;// captures scaling factors to map from % brightness to PWM

float currentBright_pct;// the current screen brightness, in % of maximum

float desiredBright_pct;// the desired screen brightness, in % of maximum

float stepSize;// the step size to use to go from the current 

// brightness to the desired brightness

uint8 lightReadingCounter;

extern void SetPWMDutyCycle(uint16 dc);

uint8 2C_WriteByte(uint8 slaveAddr, uint8 command, uint8 data);

uint8 I2C_ReadByte(uint8 slaveAddr, uint8 command, uint8* data);

float getPctBrightFromLuxReading(float lux);

uint16 mapPctBrighttoPWM(float pct);

float getLightLevel(void);

void stepBrightness(void);

void timerISR(void);

void main() {

SetupMicro();// some subroutine which initializes this CPU

I2C_WriteByte(MAX44009_ADDR, CONFIG_REG, 0x80);// set to run continuously

lightReadingCounter = 0;

stepSize = .01;

currentBright_pct = 0.5;

desiredBright_pct = 0.5;

SetPWMDutyCycle(mapPctBrighttoPWM(currentBright_pct));

InitializeTimerInterrupt();// set this to fire every 100ms

while(1) {

// do whatever else you need here, the LCD control is done in interrupts

Idle();

}

} // main routine

// the point at which the function clips to 100%

#define MAXIMUM_LUX_BREAKPOINT1254.0

float getPctBrightFromLuxReading(float lux) {

if (lux > MAXIMUM_LUX_BREAKPOINT)

return 1.0;

else

return (9.9323*log(x) + 27.059)/100.0;

} // getPctBrightFromLuxReading

uint16 mapPctBrighttoPWM(float pct) {

return (uint16)(0xFFFF * pct * SCALE_FACTOR);

} // mapPctBrighttoPWM

float getLightLevel(void) {

uint8* lowByte;

uint8* highByte;

uint8 exponent;

uint8 mantissa;

float result;

I2C_ReadByte(MAX44009_ADDR, HIGH_BYTE, highByte);

I2C_ReadByte(MAX44009_ADDR, LOW_BYTE, lowByte);

exponent = (highByte & 0xF0) >> 4;// upper four bits of high byte register

mantissa = (highByte & 0x0F) << 4;// lower four bits of high byte register = 

   // upper four bits of mantissa

mantissa += lowByte & 0x0F;  // lower four bits of low byte register = 

 // lower four bits of mantissa

result = mantissa * (1 << exponent) * 0.045;

return result;

} //getLightLevel

void stepBrightness(void) { 

// if current is at desired, don''t do anything

if (currentBright_pct == desiredBright_pct)

return;

// is the current brightness above the desired brightness?

else if (currentBright_pct > desiredBright_pct) {

// is the difference between the two less than one step?

if ( (currentBright_pct-stepSize) < desiredBright_pct)

currentBright_pct = desiredBright_pct;

else

currentBright_pct -= stepSize;

} // else if

else if (currentBright_pct < desiredBright_pct) {

// is the difference between the two less than one step?

if ( (currentBright_pct+stepSize) > desiredBright_pct)

currentBright_pct = desiredBright_pct;

else

currentBright_pct += stepSize;

} // else if

SetPWMDutyCycle(mapPctBrighttoPWM(currentBright_pct));

return;

} // stepBrightness

void timerISR(void) {

float lux;

float pctDiff;

stepBrightness();

if (lightReadingCounter)

lightReadingCounter--;

else {

lightReadingCounter = 20;// 2 second delay

lux = getLightLevel();

desiredBright_pct = getPctBrightFromLuxReading(lux);

pctDiff = abs(desiredBright_pct - currentBright_pct);

stepSize = (pctDiff <= 0.01) ? 0.01:pctDiff/10;

} // else

ClearInterruptFlag();

} // timerISR

本文來源于Maxim。

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